Методы и средства измерения давления

Содержание

                                                                                                                Стр.

Содержание.                                                                                             2 

Введение.                                                                                                  3  

Методы и средства измерения давления.                                              5

Глава 1.Методы прямых измерений давления.

1.1.Жидкостные манометры.                                                                  8

1.1.1.Основные типы, принципы их действия.                                    8

1.1.2.Жидкостно-поршневые манометры.                                           10

1.2.Поршневые манометры.                                                                  12

1.2.1.Принцип действия, основы теории.                                            13

1.3.Деформационные манометры.                                                        16

1.3.1.Принципы преобразования давления деформационным  

манометром.                                                                                                   17

1.3.2.Упругие чувствительные элементы деформационных        манометров.                                                                                                    19

1.3.3.Индуктивные и трансформаторные электромагнитные преобразователи.                                                                                            20

1.3.4.Резистивные деформационные манометры.                               21

1.3.5.Перспективы развития деформационных манометров.            27

Глава 2.Методы косвенных измерений давления.

2.1.Косвенные методы, основанные на уравнении состояния

идеального газа.                                                                                             28

2.2.Косвенные методы, основанные на фазовых переходах.            30

2.3.Косвенные методы, основанные на изменении физических      

свойств измеряемой среды.                                                                          32

       Глава 3. Датчик для измерения избыточного давления                           Метран-43-ДИ (Модель 3163).                                                                     34

      Заключение.                                                                                              37

      Литература.                                                                                               38

Введение

Вопросами теории измерений, средствами обеспечения их единства и способов достижения необходимой точности занимается специальная наука – метрология. В задачу метрологии входит установление единиц измерения, определение способов передачи размера единицы от эталонов до измеряемого объекта через ряд промежуточных звеньев.

Измерение давления необходимо практически в любой области нау­ки и техники как при изучении происходящих в природе физических процессов, так и для нормального функционирования технических уст­ройств и технологических процессов, созданных человеком. Давление определяет состояние веществ в природе (твердое тело, жидкость, газ).

Чрезвычайно многообразно применение давления в науке, технике и производстве. Энергетические возможности тепло- и гидроэлектростан­ций и атомных электростанций определяются давлением пара или воды на лопасти турбин, под действием давления по каналам и трубопроводам на тысячи километров транспортируется вода, нефть и газ. Давление при­водит в движение автомобили и самолеты, геодезические ракеты и космические корабли, открывает и закрывает двери лифта, вагонов метропоездов, троллейбусов и автобусов, подает воду и газ в квартиры наших домов.

Посредством давления осуществляется работа разнообразных стан­ков, механизмов и установок в различных отраслях производства.

По давлению контролируют состояние рабочих сред в различных тех­нологических процессах нефтехимической промышленности, при произ­водстве искусственных волокон и пр. Во многих отраслях науки при проведении физических, термодинамических и метрологических исследо­ваний (определение концентрации газов в твердых веществах, констант уравнений состояния различных веществ, эталонные температурные и ли­нейные измерения) также требуется измерять давление [1].

Давление характеризует напряженное состояние жидкостей и газов в условиях всестороннего сжатия и определяется частным от деления нормальной к поверхности силы на площадь этой поверхности

      ,       (1)

где р — давление; N — нормальная сила, действующая на поверхность; F — площадь поверхности.

При этом принимается, что нормальная сила равномерно распределе­на по поверхности, а в жидкости или газе отсутствуют касательные на­пряжения. Так как действующая сила всегда перпендикулярна к поверх­ности вне зависимости от ее расположения, то давление является скаляр­ной величиной [2].

Понятие давления как физической величины во всех его проявлени­ях едино. Вместе с тем, во многих естественных природных явлениях и в различных технических устройствах и процессах определяющим являет­ся не само давление, а его значение относительно другого. Например, под действием разности двух давлений по магистральным трубопроводам транспортируются нефть и газ из Сибири.

При сравнении значений двух давлений одно из них принимается за начало отсчета их разности. По этому признаку различают следующие виды давлений.

Абсолютное давление — давление, значение которого при измерении отсчитывается от давления, равного нулю. Абсолютное давление воздуш­ной оболочки Земли на ее поверхность называется атмосферным давле­нием.

С учетом специфики каждого из видов давления при измерениях применяются специальные средства измерений - манометры и измери­тельные преобразователи давления.

Манометр — измерительный прибор или измерительная установка для измерения давления или разности давлений с непосредственным от­счетом их значения.

Измерительный преобразователь давления (датчик) — первичный преобразователь, выходной сигнал которого функционально связан с из­меряемым давлением или разностью давлений. Выходной сигнал датчика вторичными приборами преобразуется в показания значения давления или поступает в различные системы управления и регулирования [2].

В соответствии с видами измеряемого давления применяют следую­щие виды средств измерения давления: манометр абсолютного давле­ния — манометр для измерения абсолютного давления; барометр — ма­нометр для измерения атмосферного давления; манометр избыточного давления — манометр для измерения положительного избыточного дав­ления; вакуумметр1) - манометр для измерения отрицательного избыточного давления: мановакуумметр — манометр, для измерения как поло­жительного, так и отрицательного избыточного давления; дифферен­циальный манометр (дифманометр) — манометр для измерения разнос­ти двух давлений, каждое из которых отличается от атмосферного давле­ния; микроманометр — дифференциальный манометр для измерения ма­лых разностей двух давлений, каждое из которых существенно больше их разности.

Единицы измерения давления

Когерентной единицей Международной системы единиц (СИ) являет­ся паскаль (Па). По определению единица давления паскаль пред­ставляет собой отношение единицы силы Ньютона к единице площади квадратному метру:

1 Па= 1 Н/м2 = 1 кг/(м•с2)

Наиболее близка к СИ единица давления бар (бар), размер, которой очень удобен для практики (1 бар = 1•105 Па).

В применяемых до настоящего времени жидкостных манометрах мерой измеряемого давления является высота столба жидкости. Поэтому естественно применение единиц давления, определяемых высотой столба жидкости, т. е. основанных на единицах длины. В странах с метрически­ми системами мер получили распространение единицы давления милли­метр и метр водяного столба (мм вод. ст. и м вод. ст.) и миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.).

Размеры этих единиц давления пересчитываются в единицы СИ на основании формулы

(2)

где Н - высота столба жидкости, м, р - плотность жидкости, кг/м3, g -ускорение свободного падения, м/с2.

1) Вакуумметрами часто называют манометры, предназначенные для измерения низких абсолютных давлений, существенно меньших, чем атмосферное давление (в вакуумной технике).

Методы и средства измерения давления

Методы измерения давления во многом предопределяют как принци­пы действия, так и конструктивные особенности средств измерений. В этой связи в первую очередь следует остановиться на наиболее общих ме­тодологических вопросах техники измерения давления.

Давление, исходя из самых общих позиций, может быть определено как путем его непосредственного измерения, так и посредством измере­ния другой физической величины, функционально связанной с измеряе­мым давлением.

В первом случае измеряемое давление воздействует непосредствен­но на чувствительный элемент прибора, который передает информацию о значении давления последующим звеньям измерительной цепи, преоб­разующим ее в требуемую форму. Этот метод определения давления яв­ляется методом прямых измерений, и получил наибольшее распростране­ние в технике измерения давления. На нем основаны принципы действия большинства манометров и измерительных преобразователей давления.

Во втором случае непосредственно измеряются другие физические величины или параметры, характеризующие физические свойства изме­ряемой среды, значения которых закономерно связаны с давлением (температура кипения жидкости, скорость распространения ультразву­ка, теплопроводность газа и т. д.). Этот метод является методом косвен­ных измерений давления и применяется, как правило, в тех случаях, когда прямой метод по тем или иным причинам неприменим, например, при измерении сверхнизкого давления (вакуумная техника) или при изме­рении высоких и сверхвысоких давлений [1].

Давление является производной физической величиной, определяе­мой тремя основными физическими величинами — массой, длиной и вре­менем. Конкретная реализация значения давления зависит от способа воспроизведения единицы давления. При измерении по формуле (1) давление определяется силой и площадью, а по формуле (2) — длиной, плотностью и ускорением. Методы определения давления, основанные на измерении указанных величин, являются абсолютными (фундамен­тальными) методами и применяются при воспроизведении единицы дав­ления эталонами грузопоршневого и жидкостного типа, а также позволя­ют, при необходимости, производить аттестацию образцовых средств измерений.

Относительный метод измерений, в отличие от абсолютного, основан на предварительном исследовании зависимости от давления физических свойств и параметров чувствительных элементов средств измерения дав­ления при методах прямых, измерений или других физических величин и свойств измеряемой среды — при методах косвенных измерений. На­пример, деформационные манометры перед их применением для измерения давления должны быть сначала отградуированы по образцовым средствам измерений соответствующей точности.

Помимо классификации по основным методам измерений и видам давления, средства измерений давления классифицируют по принципу действия, функциональному назначению, диапазону и точности измере­ний.

Наиболее существенный классификационный признак — принцип действия средства измерения давления, в соответствии с ним и построе­но дальнейшее изложение.

Современные   средства   измерений  давления   представляют   собой измерительные системы, звенья которых имеют различное функциональное назначение. Обобщенные блок-схемы манометров и измерительных преобразователей давления приведены соответственно на рис. 1, а и б. Важнейшим   звеном любого средства измерения давления является его чувствительный элемент (ЧЭ), который воспринимает измеряемое давление и преобразует его в первичный сигнал, поступающий в измеритель­ную цепь прибора. С помощью промежуточных преобразователей сигнал от ЧЭ преобразуется в показания манометра или регистрируется им, а в  измерительных преобразователях  (ИНД)  - в унифицированный выходкой сигнал, поступающий в системы измерения, контроля, регулирования и управления. При этом промежуточные преобразователи и вто­ричные  приборы   во  многих  случаях унифицированы и могут приме­няться  в  сочетании с ЧЭ различных типов. Поэтому принципиальные особенности манометров и ИПД зависят, в первую очередь, от типа ЧЭ [1].

Рис. 1. Структурные блок-схемы:

а — манометра; б — измерительного преобразователя давле­ния; р — измеряемое давление; 1 — чувствительный эле­мент (первичный преобразователь) ; 2 — промежуточные преобразователи; 3 — показания; 4 — регистрация; 5 — выходной сигнал; → к системам: I — измерения и контроль; II - регистрации; III — регулирования; IV – управления